(57)【要約】【課題】  本発明は、タービンバケットプラットフォームをインピンジメント及び対流冷却するように冷却媒体を流すための装置及び方法を提供する。【解決手段】  タービンバケット（１０）が、翼形部（１２）とシャンク（１４）との間を接合するプラットフォーム（１６）を含む。プラットフォームには、該プラットフォーム底面に沿ってインピンジメント冷却板（５４、５６、５８）によって覆われた複数の空洞（３０、３８、４６）が設けられる。隣接するバケット間のギャップ内に供給されたパージ空気は、インピンジメント板の孔（７２、７４、７６）を通って流れて、プラットフォームの対向する壁部分をインピンジメント冷却する。空洞内の冷却空気は、プラットフォームのフィルム冷却孔を通って送られて、高温ガス経路内の高温ガスに曝されるプラットフォームの表面に沿って薄い断熱空気フィルムを形成する。【選択図】  図１
2006083850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンバケット（１０）であって、
翼形部（１２）と、シャンク（１４）と、前記バケットシャンク及びバケット翼形部間の接合面に位置するプラットフォーム（１６）とを有し、
前記プラットフォームが、該プラットフォームの底面に沿いかつ該プラットフォームの対向する壁部分（５５、５７、５９）から間隙を置いて配置されたインピンジメント板（５４、５６、５８）によって閉鎖された少なくとも１つの空洞（３０、３８、４６）を含み、
前記対向する壁部分が、タービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成した表面を有し、
前記インピンジメント板が、それを通して前記空洞内にかつ前記対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いて前記プラットフォームをインピンジメント冷却するための複数のインピンジメント冷却孔（６０、６２、６４）を含み、
前記壁部分を貫通する複数の孔（７２、７４、７６）が、前記空洞内の冷却媒体と連通して、前記高温ガス流路に沿って露出した前記プラットフォーム表面をフィルム冷却するようになっている、
タービンバケット。
【請求項２】
前記空洞（３０、３８、４６）が、前記バケットの正圧側面に隣接して前記プラットフォーム内に設置されている、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項３】
前記空洞（３０、３８、４６）が、前記バケットの負圧側面に隣接して前記プラットフォーム内に設置されている、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項４】
前記プラットフォームの底面に沿いかつ該プラットフォームの第２の対向する壁部分（５７）から間隙を置いて配置された第２のインピンジメント板（５６）によって閉鎖された第２の空洞（３８）を該プラットフォーム内に含み、
前記第２の対向する壁部分が、タービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成した第２の表面を有し、
前記第２のインピンジメント板が、それを通して前記第２の空洞内にかつ前記第２の対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いて前記プラットフォームをインピンジメント冷却するための複数のインピンジメント冷却孔（６２）を含み、
前記第２の壁部分を貫通する複数の孔（７４）が、前記第２の空洞内の冷却媒体と連通して、前記高温ガス流路に沿って露出した前記第２のプラットフォーム表面をフィルム冷却するようになっている、
請求項１記載のタービンバケット。
【請求項５】
前記第１及び第２の空洞（３０、３８）が、前記バケット翼形部の負圧側面に隣接して前記プラットフォーム内に設置されている、請求項４記載のバケット。
【請求項６】
前記第１及び第２の空洞（３０、３８）が、前記バケット翼形部のそれぞれの負圧及び正圧側面に隣接して前記プラットフォーム内に設置されている、請求項４記載のバケット。
【請求項７】
前記プラットフォームの底面に沿いかつ該プラットフォームの第２及び第３の対向する壁部分から間隙を置いて配置された第２及び第３のインピンジメント板（５６、５８）によって閉鎖された第２及び第３の空洞（３８、４６）を該プラットフォーム内に含み、
前記第２及び第３の対向する壁部分が、タービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成したそれぞれの表面を有し、
前記第２及び第３のインピンジメント板が、それを通してそれぞれ前記第２及び第３の空洞内にかつ前記第２及び第３の対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いて前記プラットフォームをインピンジメント冷却するための複数のインピンジメント冷却孔（６２、６４）を含み、
前記第２及び第３の壁部分を貫通する複数の孔（７４、７６）が、前記第２及び第３の空洞内の冷却媒体と連通して、前記高温ガス流路に沿って露出した前記それぞれのプラットフォーム表面をフィルム冷却するようになっている、請求項１記載のタービンバケット。
【請求項８】
前記１つの空洞（３０）が、前記バケット翼形部の正圧側面に隣接して前記プラットフォームに設置され、前記第２及び第３の空洞（３８、４６）が、該バケット翼形部の負圧側面に隣接して該プラットフォームに設置されている、請求項７記載のタービンバケット。
【請求項９】
タービンバケット（１０）のプラットフォームを冷却する方法であって、
（ａ）前記プラットフォーム内に空洞（３０、３８、４６）を設ける段階と、
（ｂ）前記プラットフォームの底面に沿って、かつタービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成した表面を有する該プラットフォームの対向する壁部分から間隙を置いて、インピンジメント板（５４、５６、５８）を固定することによって前記空洞を閉鎖する段階と、
（ｃ）前記インピンジメント板に形成された冷却孔（６０、６２、６４）を通して前記空洞内に冷却媒体を流しかつ前記対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いて前記プラットフォームをインピンジメント冷却する段階と、
（ｄ）前記壁部分のフィルム冷却孔（７２、７４、７６）を通して前記空洞内の冷却媒体を流して、前記高温ガス流路に沿って露出した前記プラットフォームの表面をフィルム冷却する段階と、
を含む方法。
【請求項１０】
前記プラットフォーム内に第２の空洞（３８）を設ける段階と、
タービンを通る高温ガス流路の一部を形成した前記プラットフォームの第２の対向する壁部分から間隙を置いて該プラットフォームの底面に沿って第２のインピンジメント板（５６）を固定することによって前記第２の空洞を閉鎖する段階と、
前記第２のインピンジメント板に形成された冷却孔（６２）を通して前記第２の空洞内に冷却媒体を流しかつ前記第２の対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いて前記プラットフォームをインピンジメント冷却する段階と、
前記第２の空洞の対向する壁部分のフィルム冷却孔（７４）を通して前記第２の空洞内の冷却媒体を流して、前記高温ガス流路に沿って露出した前記プラットフォームの表面をフィルム冷却する段階と、
を含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン翼形部とバケットのシャンクと間の接合面に位置するタービンバケットプラットフォームを冷却することに関し、より具体的には、バケットプラットフォームをインピンジメント及び対流冷却するように冷却媒体を流すための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年にわたり、ガスタービンは、出力及びエンジン効率を向上させるために入口燃焼温度を高くする傾向にあった。ガス通路温度が高くなるにつれ、バケットプラットフォームは次第に、酸化、クリープ及び低サイクル疲労割れを含む損傷を示すようになってきた。一部のタービンでは、入口温度プロフィールは、プラットフォームがブレード列の最高入口温度に近い状態を示すようになってきた。このことは、これらブレードがさらに高温で運転されると、バケットプラットフォームにおける損傷の可能性をますます高くする。
【０００３】
多くの従来のバケット設計では、低い燃焼温度のためにプラットフォームの積極的な冷却を必要としなかった。また、上流ノズル側壁から持ち越されたフィルム冷却により、プラットフォーム近くの温度が結果として生じる入口温度プロフィールの「ピッチ・ライン・バイアス」よりも低くなる傾向があった。最新のバケット設計では、プラットフォームを貫通して孔を穿孔しかつ圧縮機吐出空気を用いて高温ガス通路に露出したプラットフォーム表面上にフィルム空気の層を流すことによってフィルム冷却を使用し、高い流路温度からプラットフォームを保護している。しかしながら、これは、高温ガス流路に露出したプラットフォームの表面部分をフィルム冷却する空気を噴射するのに十分な圧力がある領域に限定される。多くの最新のバケット設計では、ガス流路空気が加速されて局所的静圧が低下するようなプラットフォームの後部セクションをフィムル冷却するのに足る圧力を有するのみである。
【特許文献１】特開２００２−２３５５０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、酸化、クリープ及び低サイクル疲労割れを含む部品寿命すなわち耐久性要件を満たすのに必要なレベルまでプラットフォーム温度を低下させる必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の好ましい態様によると、タービンバケットを提供し、本タービンバケットは、翼形部と、シャンクと、該バケットシャンク及びバケット翼形部間の接合面に位置するプラットフォームとを有し、プラットフォームは、該プラットフォームの底面に沿いかつ該プラットフォームの対向する壁部分から間隙を置いて配置されたインピンジメント板によって閉鎖された少なくとも１つの空洞を含み、対向する壁部分は、タービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成した表面を有し、インピンジメント板は、それを通して空洞内にかつ対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いてプラットフォームをインピンジメント冷却するための複数のインピンジメント冷却孔を含み、壁部分を貫通する複数の孔が、空洞内の冷却媒体と連通して、高温ガス流路に沿って露出したプラットフォーム表面をフィルム冷却するようになっている。
【０００６】
本発明の別の好ましい態様によると、タービンバケットのプラットフォームを冷却する方法を提供し、本方法は、（ａ）プラットフォーム内に空洞を設ける段階と、（ｂ）プラットフォームの底面に沿って、かつタービンを通る高温ガス流路に露出しかつ該高温ガス流路の一部を形成した表面を有する該プラットフォームの対向する壁部分から間隙を置いて、インピンジメント板を固定することによって空洞を閉鎖する段階と、（ｃ）インピンジメント板に形成された冷却孔を通して空洞内に冷却媒体を流しかつ対向する壁部分に向けて冷却媒体を導いてプラットフォームをインピンジメント冷却する段階と、（ｄ）壁部分のフィルム冷却孔を通して空洞内の冷却媒体を流して、高温ガス流路に沿って露出したプラットフォームの表面をフィルム冷却する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示したタービンバケットは、翼形部１２とシャンク１４とを含み、プラットフォーム１６が翼形部１２とシャンク１４との間を接合している。もちろん、翼形部１２は、プラットフォーム１６から半径方向外向きに延び、それぞれ前縁及び後縁１８及び２０を含む。シャンク１４の下方には、バケットの基部の一部を形成するダブテール２２が位置する。バケット１０は、図示していないがタービンロータホイールのリムのほぼ対応する形状のダブテール溝内にその円周方向に間隙を置いて配置された列の形態で配置されることが分かるであろう。バケット１０のシャンク１４の前面及び後面には、従来と同様にシール目的のいわゆるエンゼルウィングシール２４が設けられる。一般的に、例えば圧縮機吐出空気のような冷却媒体が、バケットの基部内に供給され、バケットに沿ってまた翼形部を通って循環して翼形部を冷却する。冷却媒体は一般的に、翼形部の先端を通って及び／又は後縁に沿って高温ガス流路内に吐出される。ホイール空間もまた、隣接するバケット間の陥凹部１５内に与えられる圧縮機吐出空気によってパージされることが分かるであろう。このパージ空気は、本プラットフォーム冷却システムのための冷却空気の供給源となる。シャンク陥凹部内の静圧とガス通路内の静圧との間の圧力比は、プラットフォームを対流冷却するための冷却空気流をもたらし、また高温ガス流路に露出したプラットフォームの表面に沿って冷却空気フィルム、すなわち断熱冷却フィルムを形成するのに十分である。
【０００８】
具体的には、プラットフォーム１６の底面には、シャンク陥凹部１５に連通した１つ又はそれ以上の空洞が設けられ、これらの空洞は、該空洞の底面に沿って翼形部の形状の一部を形成する側壁を有する。例えば、また図２に示すように、第１の空洞３０は、プラットフォーム１６の底面に沿って形成され、翼形部１２の正圧側面の縁部の一部を形成する。つまり、空洞３０は、空洞３０を形成したときにプラットフォームの底面に沿って翼形部２０の正圧側壁の連続面を形成する内側壁３２を含む。空洞３０はまた、前縁壁部分３４とスラッシュ面壁部分３６とによって形成される。
【０００９】
プラットフォーム１６の底面に沿って、同様に翼形部の縁部の一部を形成する付加的な空洞が形成される。例えば、空洞３８は、プラットフォーム１６の底面内に形成され、翼形部後縁２０に隣接する翼形部１２の負圧側壁の連続面を形成する内側壁４０を有する。空洞３８はまた、後縁壁４２とスラッシュ面壁４４とによって形成される。同様に、第３の空洞４６は、プラットフォームの前縁に隣接してプラットフォーム１６の底面内に形成され、プラットフォーム底面内への翼形部の負圧側面の連続面の一部を形成する。従って、空洞４６は、翼形部表面の負圧側面の縁部を形成する壁部分４８と、それぞれプラットフォームの前縁及びスラッシュ面の部分を形成する壁部分５０及び５２と含む。
【００１０】
図２に示す冷却媒体通路は、蛇行構成であるのが好ましい。つまり、翼形部冷却通路は、プラットフォームを通って延び、連続する通路の形態で翼形部を貫通しかつ翼形部に沿ってほぼ半径方向外向き及び内向きに交互する。翼形部を通る様々な通路は、バケット翼形部の冷却回路を形成するが、本発明の一部を構成するものではない。翼形部冷却回路は、蒸気が冷却目的で例えば翼形部内の蛇行通路を通して供給されかつ戻されるような閉回路にすることができるといえば十分である。翼形部冷却回路はまた、例えば空気などの冷却媒体が通路を通って流れて翼形部先端において及び／又は翼形部後縁に沿って吐出されるような開回路とすることもできる。
【００１１】
図２で分かるように、空洞３０、３８及び４６の各々は、インピンジメントカバー板を含む。例えば、空洞３０は、該空洞３０の下に位置するインピンジメントカバー板５４を含む。空洞３８は、該空洞３８の下に位置するインピンジメントカバー板５６を有し、空洞４６は、該空洞４６の下に位置するインピンジメント板５８を有する。インピンジメント板は、それぞれの空洞の対向する壁部分５５、５７及び５９から間隙を置いて配置される。図示するように、インピンジメント板５４、５６及び５８の各々は、それぞれインピンジメント孔６０、６２及び６４を有する。インピンジメント孔は、冷却媒体、例えばバケット間の陥凹部１５内のパージ空気を関連する空洞内に送って、プラットフォームの裏面すなわちプラットフォームの対向する壁部分５５、５７及び５９に対して冷却流を衝突させるようになっていることが分かるであろう。これらのインピンジメント流は冷却空気の噴流を形成し、この噴流が、高温ガス流路に露出したプラットフォームの表面をインピンジメント及び対流冷却の両方で冷却するプラットフォームの裏面における高い熱伝導係数を実現する。図３の矢印６８で示すように、いったん空気流がプラットフォームの裏面に衝突すると、冷却媒体は、矢印７０で示すように空洞内を流れてプラットフォーム表面を対流冷却する。次に、流れは、空洞の各々内のフィルム冷却孔、例えばそれぞれ空洞３０、３８及び４６内の孔７２、７４及び７６を介してプラットフォームを通って吐出される。これらの冷却孔は、高温ガス流路内の高温ガスに曝されるプラットフォームの表面に沿って空気のフィルムすなわち層を形成する。この冷却層は、高温流路ガスからバケットプラットフォームを断熱する。
【００１２】
インピンジメント板は、ろう付け、溶接又は他のタイプの機械的固定法によってプラットフォームにしっかりと固定することができることが分かるであろう。図示するように、フィルム冷却空気流は、翼形部の正圧及び負圧側面に隣接して高温ガスに曝されるプラットフォーム表面に沿って生じる。
【００１３】
現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例によるバケットの斜視図。
【図２】ほぼ図１の線２−２で取った、プラットフォーム内の空洞に対して分解並列状態でインピンジメント板及びフィルム冷却孔を示す、本発明の実施例の断面図。
【図３】対流及びインピンジメント冷却流の概略図。
【符号の説明】
【００１５】
１０  タービンバケット
１２  翼形部
１４  シャンク
１５  陥凹部
１６  プラットフォーム
１８  前縁
２０  後縁
３０、３８、４６  空洞
５４、５６、５８  インピンジメントカバー板
６０、６２、６４  インピンジメント孔
７２、７４、７６  フィルム冷却孔
【図１】
2006083850.tif 000003
【図２】
2006083850.tif 000004
【図３】
2006083850.tif 000005